發布時間：2021-12-18所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 為提高工業鍋爐熱效率，解決鍋爐節能運行存在的問題，以廣東省 30 臺工業鍋爐為研究對象，對其進行現場能效測試和節能分析。能效測試數據分析顯示，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數超標，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標，66. 67% 的鍋
摘 要: 為提高工業鍋爐熱效率，解決鍋爐節能運行存在的問題，以廣東省 30 臺工業鍋爐為研究對象，對其進行現場能效測試和節能分析。能效測試數據分析顯示，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數超標，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標，66. 67% 的鍋爐負荷率較低，53. 33% 的鍋爐熱效率低于規程值。節能分析顯示: 造成煙氣溫度過高主要是由于缺少煙氣余熱回收裝置、配風比失調; 過量空氣系數過大主要是由于配風比失調、燃料堆積; 熱效率較低主要原因是排煙熱損失、固體/氣體未完全燃燒熱損失較高或負荷率較低。結合發現的節能問題及其產生的主要原因，提出合理配風比、增加余熱回收、制定節能制度和加強節能監管等建議。
關 鍵 詞: 工業鍋爐; 節能; 熱效率; 問題; 建議
引 言
近年來，隨著我國經濟的快速發展，工業鍋爐扮演著越來越重要的角色，但因工業鍋爐具有高使用、高能耗和高污染等特點，其煙氣、灰渣、廢水等污染物的排放帶來環境污染、能源浪費等一系列問題[1 - 3]。隨著環保壓力加大、節能力度加深以及使用安全加強，工業鍋爐節能減排的深入研究勢在必行[4 - 6]。許多專家學者注意到日益凸顯的工業鍋爐節能問題，并對其開展相關研究。浙江省特檢院趙四海對浙江省在用工業鍋爐信息進行統計，分析能耗產生的主要原因，并從監管、政策和使用三方面給出建議[7]。上海工業鍋爐研究所王善武通過對國內外工業鍋爐節能現狀進行對比，指出我國節能運行方面的不足，分別從政策、管理和技術等方面提出改進措施[8]。華南理工大學趙軍明通過對廣州市部分企業工業鍋爐熱工測試數據進行分析，指出其節能存在的問題，并提出解決方案[9]。從以上研究可以看出，我國學者已經從節能政策、標準、管理和技術、監管等多方面開展工業鍋爐節能研究，并取得一定成效[10]。為了進一步提高工業鍋爐的能源利用效率，減少環境污染，本文選取廣東省內 30 臺新安裝工業鍋爐，通過能效測試和節能分析，找出鍋爐運行過程存在的節能問題，并為企業提出合理化建議。
1 工業鍋爐節能研究對象與方法
1. 1 研究對象
選取廣東省內 30 臺新安裝鍋爐( 辦理使用登記證后一年內的鍋爐) ，此 30 臺鍋爐來自于 30 家使用單位，24 個制造單位，27 種型號，詳細情況見表 1。為了使測試的新安裝鍋爐盡可能具有代表性，按照鍋爐燃燒不同燃料的比例，本次測試選擇燃天然氣鍋爐 12 臺，燃生物質顆粒鍋爐 10 臺，燃輕油鍋爐 6 臺，燃煤鍋爐 1 臺，燃生物質氣鍋爐 1 臺。其中，蒸汽鍋爐 27 臺，有機熱載體鍋爐 3 臺，蒸汽鍋爐額定蒸發量范圍為 0. 20 ～ 20 t /h，有機熱載體鍋爐額定功率范圍為 600 ～ 1 800 MW。
1. 2 能效測試方法
1. 2. 1 測試方法[11 - 12]
( 1) 對手燒鍋爐、下飼式鍋爐、電加熱鍋爐采用正平衡法進行測試;
( 2) 對于額定蒸發量≥20 t /h( 14 MW) 的鍋爐，采用反平衡法進行測試;
( 3) 其余鍋爐均應同時采用正反平衡法;
4) 測試時間規定: 液體和氣體燃料鍋爐測試不少于 2 h; 火室燃燒、火床燃燒、沸騰燃燒固體燃料鍋爐測試不少于 4 h; 手燒爐、下飼爐排等鍋爐測試不少于 5 h。
( 5) 測試次數: 鍋爐正常運行情況下相同工況測試兩次。
1. 2. 2 測試內容[13]
( 1) 按照正平衡法進行能效測試時，其測試內容包括: 發熱量及固體、液體燃料元素分析; 蒸汽鍋爐輸出蒸汽量，熱水鍋爐、有機熱載體爐的截止循環流量; 自用蒸汽量; 蒸汽取樣量; 鍋水取樣量及排污量; 蒸汽鍋爐給水溫度及給水壓力，熱水鍋爐及有機熱載體爐進出口介質溫度; 蒸汽鍋爐的蒸汽壓力，熱水鍋爐及有機熱載體爐的進出口介質壓力; 飽和蒸汽濕度，過熱蒸汽溫度及品質; 燃料消耗量及電加熱鍋爐耗電量; 實驗開始到結束時間。
( 2) 按照反平衡法進行能效測試時，其測試內容包括: 燃料元素分析，發熱量; 排煙溫度，燃燒室排出的爐渣溫度、溢流灰和冷灰溫度; 煙氣成分; 爐渣、漏燃料、飛灰重量及可燃物含量; 入爐冷空氣溫度及鍋爐表面溫度; 實驗開始到結束時間。
測試儀器如表 2 所示。
2 工業鍋爐節能結果分析
2. 1 排煙溫度
鍋爐排煙溫度是反映鍋爐使用節能的重要指標，鍋爐排煙溫度太高會導致鍋爐排煙熱損失較大，進而影響鍋爐熱效率[14]。通過檢查鍋爐排煙溫度是否達到節能規定，可及時進行相應調節，降低鍋爐能耗，提高鍋爐熱效率。30 臺新安裝鍋爐排煙溫度對比如圖 1 所示。排煙溫度每一個數據均為測試兩次工況的平均值。
30 臺測試鍋爐排煙溫度最高為 309. 4 ℃，最低為 54. 4 ℃。根據 TSG G0002 - 2010《鍋爐節能技術監督管理規程》第八條鍋爐排煙溫度規定[13]，在這 30 臺鍋爐中，有 13 臺鍋爐的排煙溫度超過規程限定值，即 43. 33% 鍋爐排煙溫度超過限定值，說明鍋爐排煙溫度過高是鍋爐使用中普遍存在的問題。分析 6 臺燃油鍋爐，只有第 5 臺鍋爐排煙溫度超過限定值 170 ℃，燃油鍋爐排煙熱損失較小。但對比 6 臺燃油鍋爐排煙溫度，最高溫度與最低溫度相差 127. 3 ℃，說明降低燃油鍋爐排煙溫度仍有一定提升空間，節能審查發現鍋爐 2、3 均無節能器是造成排煙溫度較高的原因。分析 12 臺燃天然氣鍋爐，其中第 9、11、14 3 臺鍋爐排煙溫度超過限定值，75% 鍋爐排煙溫度在限定值范圍以內，鍋爐排煙熱損失較小。但第 11 臺燃天然氣鍋爐排煙溫度為 309. 4 ℃，超過規程限定值 139. 4 ℃，可知燃天然氣鍋爐如果操作不當，排煙熱損失仍然較大。分析 10 臺燃生物質顆粒鍋爐，其中第 19、20、21、22、23、25 6 臺鍋爐排煙溫度超過限定值，燃生物質顆粒鍋爐排煙熱損失較大，燃生物質顆粒鍋爐最高排煙溫度與最低排煙溫度之差為 144. 4 ℃，按照排煙溫度每降低 15 ℃，熱效率提高 1% 來估算，通過控制排煙溫度，可有效提高鍋爐熱效率約 10%[14]。燃生物質氣鍋爐排煙溫度在限定值之內，燃煤鍋爐排煙溫度超過限定值。
由以上分析可知，各種燃料鍋爐均存在排煙溫度過高的問題，導致鍋爐排煙溫度過高的主要原因有: 鍋爐未安裝余熱回收裝置或節能器效果較差; 鍋爐燃料品質較差，燃燒不充分; 鍋爐積灰、結垢未處理; 鍋爐操作人員調節風量不當[15 - 16]。
2. 2 過量空氣系數
過量空氣系數也是反映鍋爐使用節能的重要指標，過量空氣系數是燃料燃燒時實際空氣需要量與理論空氣需要量之比值。過量空氣系數太大說明燃燒時實際鼓風量較大，這將增加排煙量、降低爐膛溫度和影響鍋爐傳熱，并導致排煙熱損失增加。過量空氣系數較小易導致燃料不能完全燃燒，固體不完全燃燒熱損失增加[1，17]。30 臺新安裝鍋爐過量空氣系數對比如圖 2 所示。過量空氣系數每一個數據均為測試兩次工況的平均值。
30 臺測試鍋爐過量空氣系數最高為 2. 65，最低為 1. 00。根據 TSG G0002 - 2010《鍋爐節能技術監督管理 規 程》第九條關于鍋爐過量空氣系數規定[13]，在這 30 臺鍋爐中有 19 臺鍋爐過量空氣系數超過規程限定值，即 63. 33% 鍋爐過量空氣系數超過規程限定值。分析 6 臺燃油鍋爐可知，其過量空氣系數在 1. 17 ～ 1. 47 之間，均高于限定值1. 15，燃油鍋爐的風量調節應引起注意，通過調節鼓風量，燃油鍋爐熱效率可進一步提升。12 臺燃天然氣鍋爐中，僅第 8、10、12、18 4 臺鍋爐超過限定值1. 15，可知燃天然氣鍋爐配風比和燃燒情況較好。分析 10 臺燃生物質顆粒鍋爐，80% 燃生物質顆粒鍋爐過量空氣系數超過限定值 1. 65，審查發現，大部分燃生物質顆粒鍋爐出現爐排漏風，生物質顆粒堆積是過量空氣系數過大主要原因。燃生物質氣鍋爐過量空氣系數為 1. 18 在規程限定值以內，燃煤鍋爐過量空氣系數超過規程值 1. 15，可知燃煤鍋爐應注意調節過量空氣系數。
由以上分析可知，各種鍋爐均存在過量空氣系數過大的問題，導致鍋爐過量空氣系數過大的主要原因有: 燃燒機風門、油壓或氣壓失調; 鼓風機風量配比失調或引風機風量過調; 燃料來源和成分存在問題; 生物質顆粒堆積，爐排漏風; 使用人員操作不當或未給予足夠的重視等[18 - 19]。
2. 3 排煙 CO 含量
排煙 CO 含量過高說明燃料燃燒不充分，易造成氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失增加。30 臺新安裝鍋爐排煙 CO 含量對比分析如圖 3 所示。排煙 CO 含量每一個數據均為測試兩次工況的平均值。
由圖 3 可知，30 臺測試鍋爐排煙 CO 含量最高為 36 450 mg /m3 ，最 低 為 0 mg /m3 。根 據 TSG G0003 - 2010《工業鍋爐能效測試評價規則》[11]，正壓鍋爐經濟運行排煙 CO 含量一般不大于 500 mg / m3 。在 30 臺鍋爐中，10 臺鍋爐排煙 CO 含量過大。分析 6 臺燃油鍋爐，其排煙 CO 含量均在規程限定值以內，證明燃油鍋爐燃燒比較充分，燃燒效率較高。分析 12 臺燃天然氣鍋爐，8 臺 CO 含量在限定值以內，燃燒情況較充分，但第 13、14 臺鍋爐排煙 CO 含量為 33 450 和 36 450 mg /m3 ，因此若操作不當，燃天然氣鍋爐仍會出現燃料燃燒不充分、資源浪費和超標排放等問題。分析 10 臺燃生物質顆粒鍋爐，6 臺的鍋爐 CO 含量超過規程限定值，證明燃燒情況較差。分析燃生物質氣和燃煤 CO 含量，其測量值均在規程限定值以內，與實際通風量較大，氧氣充足燃燒充分互證。造成排煙 CO 含量較高的主要原因有: 燃料堆積，生物質顆粒和空氣接觸不良; 配風量調節不當，送風量較低; 燃料質量較差，燃料潮濕或帶有阻燃成分等[20 - 21]。
2. 4 負荷率
鍋爐負荷率是指鍋爐的實際出力與額定出力的比值，鍋爐負荷率過低會導致漏風量增大，爐膛溫度變低，燃燒速度變慢，燃燒工況不穩定，散熱損失和固體未完全燃燒熱損失增加等[1，22]。理論上能效測試要求鍋爐均調至額定負荷測試，但限于實際情況， 30 臺新安裝鍋爐負荷率如圖 4 所示。鍋爐負荷率為測試工況兩次測試的均值。
30 臺測試鍋爐負荷率最高為 108. 3% ，最低為 35. 44% 。30 臺鍋爐中，20 臺鍋爐無法達到額定負荷，鍋爐低負荷運行是鍋爐使用常見的問題。分析 6 臺燃油鍋爐，5 臺未達到額定負荷。12 臺燃天然氣鍋爐，5 臺未達到額定負荷。10 臺燃生物質顆粒鍋爐，8 臺未達到額定負荷。燃煤、燃生物質氣鍋爐 2 臺均為達到額定負荷。10 臺能達額定負荷鍋爐中，8 臺額定蒸發量小于等于1 t /h，說明使用單位傾向于購買比生產需要負荷大的鍋爐。分析未達到額定負荷主要原因有: 鍋爐配置較大; 使用單位負荷使用量不穩定; 鍋爐配置燃燒器熱功率過小，不足夠產生足夠熱負荷[23]。
2. 5 熱效率
鍋爐熱效率是指鍋爐輸出的熱量與輸入的熱量的比值，可以直觀反映鍋爐是否節能。30 臺新安裝鍋爐熱效率測試情況如圖 5 所示。熱效率為正反平衡的平均值。
30 臺測試鍋爐熱效率最高為 94. 82% ，最低僅為 54. 06% ，根據 TSG G0002 - 2010《鍋爐節能技術監督管理規程》工業鍋爐熱效率附件 A 規定[13]，30 臺鍋爐中 16 臺熱效率不合格。分析 6 臺燃油鍋爐，可知其熱效率最高為 94. 82% ，最低為 85. 76% ，其中第 1、2、3 3 臺鍋爐熱效率低于規程限定值。其排煙溫度和過量空氣系數超過規程限定值，負荷率低于限定值，說明鍋爐配風量調節不當和負荷率較低是造成鍋爐熱效率較低的主要原因。對比 12 臺天然氣鍋爐，其熱效率在 81. 09% ～ 94. 25% 之間，第 9、11、13、14 4 臺鍋爐熱效率低于規程限定值。第 9、11 2 臺鍋爐排煙溫度分別為 273. 8 和 309. 4 ℃，主要是由于未安裝節能裝置，導致排煙熱損失較大。第 13、14 2 臺鍋爐排煙 CO 含量分別為 33 450 和 36 450 mg /m3 ，燃燒機配風嚴重失調是導致鍋爐熱效率較低的主要原因。對比 10 臺生物質顆粒鍋爐，其熱效率最高為 86. 16% ，最低為 54. 06% ，第 19、 21、22、23、24、25、26、27、29 8 臺生物質鍋爐熱效率低于規程限定值，80% 熱效率不合格。造成燃生物質顆粒鍋爐熱效率較低的主要原因: 生物質顆粒鍋爐基本都是按照燃煤鍋爐結構設計的，生物質顆粒容易通過爐排間隙掉落導致未完全燃燒; 生物質顆粒在鍋爐內容易堆積，不能優化燃燒，造成飛灰可燃物和排煙 CO 含量增加; 原料來源導致的固體未完全燃燒和氣體未完全燃燒; 操作不當、節能裝置不全導致排煙溫度過高和過量空氣系數較大，導致排煙熱損失較大。燃生物制氣鍋爐熱效率為80. 42% ，其熱效率仍有較大提升空間。燃煤鍋爐熱效率為 86. 73% ，可知燃煤鍋爐通過增加節能器，操作合理，節能效果明顯[24 - 25]。
將不同燃料鍋爐熱效率取平均值，燃油鍋爐熱效率為 89. 86% ，燃天然氣鍋爐熱效率為 88. 42% ，燃生物質顆粒鍋爐熱效率為 75. 03% ，燃煤鍋爐熱效 率 為 86. 73% ，燃生物質氣鍋 爐熱效率為 80. 42% 。按熱效率從高到底排序依次為: 燃油鍋爐熱效 率 > 燃天然氣鍋爐熱效率 > 燃 煤 鍋 爐 熱效率 > 燃生物質氣鍋爐熱效率 > 燃生物質顆粒鍋爐熱效率，燃油、燃天然氣鍋爐熱效率較高，節能效果最佳，而燃生物質顆粒鍋爐熱效率最低，節能效果最差。
3 結論及建議
( 1) 測試鍋爐中，只有 46. 67% 鍋爐熱效率測試合格，43. 33% 的鍋爐排煙溫度超標，63. 33% 的鍋爐過量空氣系數超標，36. 67% 的鍋爐排煙 CO 含量超標，66. 7% 鍋爐負荷率較低。影響燃油燃氣鍋爐熱效率的主要原因是鍋爐排煙熱損失，可通過調節配風量，新增或多增加一個余熱回收裝置，以及清除鍋爐積灰、污垢等方式提高鍋爐熱效率。影響燃生物質顆粒、燃煤鍋爐熱效率的主要原因是固體、氣體未完全燃燒熱損失較大，可通過調節鼓風量，保證燃料品質提高鍋爐熱效率。
( 2) 大部分鍋爐均存在“大馬拉小車”問題，低負荷運行不僅造成鍋爐散熱損失增加，而且易造成熱效率偏低，應加強節能監管，提高使用單位節能意識。
( 3) 對于使用單位，應提高鍋爐操作人員專業水平，建立相應的節能管理制度和經濟運行制度，提高企業員工的技術水平。對于監管單位，應制定詳細的檢驗標準，制造監檢部門源頭做好把關，定檢部門及時準確地進行能效測試，對不達標的企業及時提出整改意見，確保鍋爐安全高效運行。——論文作者：張 佳1 ，李雪熒2 ，何育恒1 ，余 芬1
參考文獻:
[1] 周強泰. 鍋爐原理[M]. 北京: 中國電力出版社，2013. ZHOU Qiang-tai. Boiler principle[M]. Beijing: China Electric Power Press，2013.
[2] 李顯海. 工業鍋爐節能改造技術與工程實例[M]. 北京: 金盾出版社，2010. LI Xian-hai. Industrial boiler energy-saving retrofit technology and engineering examples[M]. Beijing: Jindun Press，2010.
[3] 何心良. 我國工業鍋爐使用現狀與節能減排對策探討[J]. 工業鍋爐，2010( 3) : 1 - 8. HE Xin-liang. Discussion on the current situation of industrial boilers and measures for energy saving and emission reduction in China [J]. Industrial boiler，2010( 3) : 1 - 8.
[4] 趙欽新，周屈蘭. 工業鍋爐節能減排現狀、存在問題及對策[J]. 工業鍋爐，2010( 1) : 1 - 6.
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